肝臓再生の開始と停止の鍵を握る機械刺激~肝臓毛細血管における機械的恒常性と肝臓再生~

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2021-04-08 理化学研究所

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター器官誘導研究チームの辻孝チームリーダー、武尾真上級研究員らの研究チームは、肝臓[1]の損傷によって生じる機械的な刺激(血流速度の変化)が肝臓再生の開始と停止に関与することを明らかにしました。

本研究成果は、肝臓をはじめとする器官発生や再生などの基礎的研究に貢献するとともに、将来の人工的な三次元立体器官の実現に向け、機械的恒常性[2]を利用した器官再生や育成を制御する技術開発への応用が期待できます。

器官形成と再生は発生過程において重要であり、形態形成、器官サイズや機能の制御は全身の恒常性の発現に深く関与しています。肝臓は高い再生能力を備え、3分の2を切除しても元の大きさに戻ることができます。しかし、肝臓がどのように再生を開始し、適切なサイズで再生を停止するかのメカニズムには、不明な点がまだ多く残されていました。

今回、研究チームは、肝臓の機能単位である肝小葉[1]内の類洞(るいどう)[1]と呼ばれる毛細血管系の空間的配置を三次元的なネットワークとして分析し、その特徴的なパラメータの変動を肝臓の静止期と肝部分切除後の再生期で比較しました。その結果、類洞の細胞が切除後の血流速度の変動を機械的刺激として感知し、サイトカインネットワーク[3]と協調することで、肝臓再生の開始と停止の両方に不可欠な役割を果たすことが明らかになりました。

本研究は、オンライン科学雑誌『Communications Biology』(4月7日付)に掲載されました。

肝臓、肝小葉内部の毛細血管(類洞)の空間的配置の図

肝臓、肝小葉内部の毛細血管(類洞)の空間的配置

(左図は肝小葉の門脈から中心静脈までの類洞の構造、右図は類洞を拡大し、血管を白のワイヤーで、分岐部に球を配置した)

背景

肝臓は、機能的な単位である「肝小葉」の三次元空間配置を介して、物質の貯蔵や代謝、解毒、胆汁の生成などを行い、全身の恒常性を維持する上で重要な役割を果たしています(図1a)。その機能発現には、全形が不可欠というわけではなく、肝小葉の形態と肝臓全体の重量、体積が肝機能に重要であると考えられています(図1b, c)。

肝臓と肝小葉の構造、類洞の配置の図

図1 肝臓と肝小葉の構造、類洞の配置

aはラット肝臓の外観写真。bは肝小葉の構造(『Anatomy and Physiology』を改変注1))を示す。六角柱の構造をしており、直径と高さはそれぞれ1~2mmほどである。cは肝小葉内部の血管の蛍光イメージ像。


肝臓は、哺乳類の内臓としては例外的に高い再生能力があり、ヒトでは3分の2を切除しても2週間ほどで元の大きさに戻ります。損傷を受けた肝臓は構成細胞が膨張(肥大)および増殖(過形成)し、器官の体積が増加・回復する(代償性肥大)ことが知られています。

これまでの研究から、肝臓の再生は、内皮細胞や骨髄細胞などの複数の種類の細胞が関与する複雑なプロセスであり、肝細胞増殖因子(HGF)[4]や、上皮成長因子(EGF)[4]、腫瘍増殖因子(TGF-β1)[4]などのサイトカインネットワークによって厳密に調節されていることが分かっています。一方、肝蔵の再生中には、血液の流動が大きく変化することが知られています。しかし、この血流変化が再生にどのように影響するのか、また再生の開始と停止がどのように制御されているのかは、ほとんど分かっていません。

細胞は、細胞骨格や膜の変化などの細胞形状の形態変化を介して、周囲の環境からの摩擦力(せん断応力、ずり応力)や張力・牽引力などの機械的刺激を感知し、応答します。このような生体応答は「機械的恒常性」と呼ばれ、器官および組織の発達にも重要な役割を果たしています。血管構造では、せん断応力や血管内皮細胞表面の牽引力など、血流によって生じるさまざまな機械的刺激が、血管の形態的・物理的特性に関わります。そのため、肝臓の血管の機械的センサーは再生の開始および停止シグナルとして働くと考えられてきました。

そこで研究チームは、肝蔵の再生過程において、肝小葉内の毛細血管系における機械的恒常性の変化を解析するとともに、この機械的恒常性が再生の開始と停止にどのように関与するかについて調べました。

注1)Access for free at Introduction Anatomy and Physiology | openstax
J. Gordon Betts, Kelly A. Young, James A. Wise, Eddie Johnson, Brandon Poe, Dean H. Kruse, Oksana Korol, Jody E. Johnson, Mark Womble, Peter DeSaix, Anatomy and Physiology, Apr 25, 2013, OpenStax, Houston, Texas
23.6 Accessory Organs in Digestion: The Liver, Pancreas, and Gallbladder

研究手法と成果

1)肝小葉の類洞の空間的配置の解析

肝臓は、左葉、左正中葉、右正中葉、右葉、尾状葉の五つの葉に分けられます(図2a)。これらの葉は、主に肝細胞と血管で構成されています。各肝小葉では、血液は門脈から「類洞(るいどう)」と呼ばれる毛細血管を通って中心静脈に流れます(図2b)。肝機能は肝小葉と類洞に依存しているため、肝小葉の血管構造を蛍光色素注入により可視化し、肝小葉の血管を線形の画像として描写し、各類洞の位置関係や分岐の順序と角度を解析しました。その結果、類洞の分岐角度の中央値は75.75°であることが分かりました(図2c)。類洞の直径も、分岐回数に関係なく、約3マイクロメートル(μm、1μmは1000分の1mm)の一定値を示しました(図2d)。さらに、類洞血管網は水平の層を形成して分布しており、これらの層状構造をつなぐ類洞が一定の割合で存在していることが判明しました(図2e)。

これらの結果は、類洞血管網が分岐角度や直径など、安定した構造パラメータを持っていることを示しており、固有の血管ネットワーク構造が個々の器官に存在し、定常状態に維持されていることが示唆されました。

肝小葉の類洞の空間的配置の解析の図

図2 肝小葉の類洞の空間的配置の解析

a)肝臓の構造。五つの葉から構成される。

b)肝小葉内部の血管配置と血流の方向。門脈から入った血液は類洞で混じり合い、中心静脈に流れる。

c)肝小葉の類洞分岐部の分岐角度。中央値は75.75°だった。

d)肝小葉の類洞の直径は、分岐回数にかかわらず約3μmだった。

e)類洞の空間的配置。A~Dのように、類洞血管網は水平の層を形成して分布し、これらの層状構造をつなぐ類洞(赤線)が一定の割合で存在することが分かった。

2)肝蔵の再生における類洞構造の動的変化

肝臓が再生の必要性をどのように感知するかを明らかにするために、部分切除された残存肝臓の類洞の三次元的なパラメータを解析しました。すると、肝臓は切除してから1週間後までに元と同じ重量に再生しましたが、小葉構造は回復しませんでした(図3a, b)。また再生過程では、肝細胞内部の脂肪滴の蓄積が切除後24時間でピークに達し、類洞構造は切除後120時間までに実質的に定常状態に戻りました(図3c)。この過程で、類洞の分岐角度は約74°の安定した値を示したものの、血管の体積と表面積の増加がともに切除後24時間でピークに達し、再生が進むにつれて元のレベルに戻ることが明らかになりました(図3d)。類洞周囲の肝細胞は、切除後に核密度が急速に減少し、細胞の肥大が見られました。

一方、類洞の血流速度は切除後12時間で3倍に増加し、肝臓が再生するにつれて徐々に低下することが分かりました。従って、血流量の変化は類洞構造の変化前に発生することから、血行動態の変化は血管構造の変化とそれに続く肝臓の再生を引き起こし、血行動態は肝臓が定常状態に戻るまで続くことが示唆されました。

肝部分切除による肝臓の再生時における類洞の動的変化の図

図3 肝部分切除による肝臓の再生時における類洞の動的変化

a)肝臓の葉構造と部分切除(灰色)、再生後の肝臓のイメージ。

b)肝臓の部分切除後の重量の回復。切除から1週間(168時間)後までに元の肝臓と同じ重量に再生した。

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